Оптические датчики

Одним из способов обнаружения подвижных объектов системы автоматики является применение оптических датчиков. Это приборы, реагирующие на световой поток (белый свет), лазерный луч или на инфракрасное излучение. Отсутствие контактирующих поверхностей позволяет установить датчик в любом подходящем месте, при этом он не будет ограничен зоной действия магнитного поля, что является недостатком индуктивных и герконовых приборов.

Оптические датчики приближения, которые используют для обнаружения объектов луч красного инфракрасного, белого света или луч лазера, принято разбивать на три группы:

1. односторонний световой барьер
2. отражательный световой барьер
3. диффузионный отражатель (датчик рассеивания)

Односторонний световой барьер

В датчиках первого типа излучатель (трансмиттер) на базе полупроводникового светодиода и приемник (ресивер) на базе фотодиода или фототранзистора располагаются в разных корпусах таким образом, чтобы луч попадал в приемник. Если объект прерывает луч, на выходе приемника изменяется сигнал.

Дальность действия таких датчиков, т.е. расстояние между излучателем и приемником, может достигать 20 метров. Поэтому они используются, например, для подсчета крупных объектов – вагонеток, автомобилей и т.п., а также в качестве световой завесы вокруг опасных участков производства.

Отражательный световой барьер

В отражательном световом барьере излучатель и приемник размещены в одном корпусе, а отдельный отражательный элемент (рефлектор) устанавливается таким образом, чтобы луч из излучателя попадал точно в приемник. Если прямой или обратный луч прерываются объектом, на выходе датчика изменяется сигнал.

Диапазон рабочей дистанции таких датчиков, т.е. расстояния между корпусом и рефлектором, лежит в пределах 5 метров, но он зависит от типа отражателя. Эти датчики снабжаются поляризационными фильтрами, которые гарантируют реакцию приемника на свет, отраженный только от специальных рефлекторов, работающих по принципу тройного зеркала. Выбор наиболее подходящего отражателя для конкретного применения определяется требуемой рабочей дистанцией и возможностями монтажа.

Эти же датчики можно использовать и для обнаружения очень мелких деталей. Для этого к излучателю и приемнику подключают оптоволоконные кабели (световоды), которые подводятся к месту появления объекта концами друг напротив друга.

Диффузионный отражатель (датчик рассеивания)

Оба типа световых барьеров «переключаются темнотой», т.е. сигнал появляется, если свет на приемник не поступает, что соответствует НЗ контакту. Диффузионные датчики, в отличие от световых барьеров, переключаются «светом», а не «темнотой».

В диффузионном оптическом датчике излучатель и приемник также объединены в одном корпусе. Если на пути исходящего луча оказывается объект, луч отражается и попадает в приемник, что вызывает появление сигнала на выходе.

Дальность действия таких датчиков достигает 3 м, но сильно зависит от состояния и цвета поверхности объекта, внешнего освещения и фона. Лучше всего они реагируют на объекты с ярко окрашенной поверхностью или из полированного металла. Их также можно использовать с оптоволоконными кабелями.

Выпускаются варианты с возможностью подавления фона, с лазерной подсветкой, с аналоговым выходом для измерения дистанции в диапазоне до 300 мм.

Форма корпуса оптических датчиков

Формой корпуса, которая может быть круглой или блочной, все три типа оптических датчиков не отличаются друг от друга.

Оптические датчики: внешний вид, УГО

В одном и том же корпусе может располагаться любой из них, только отдельные излучатели и приемники имеют один рабочий «глазок», а не два. Самые большие габариты имеют, конечно, односторонние световые барьеры с большой рабочей дистанцией. Иначе их трудно настраивать на большом расстоянии друг от друга. Некоторые датчики цилиндрической формы имеют боковой выход луча. Использование видимого луча красного цвета облегчает настройку, к тому же свет с такой длиной волны медленно затухает внутри оптоволоконного кабеля. Для мелких и быстро перемещающихся объектов используют лазерные датчики.

Характеристики оптических датчиков

Как и другие электронные датчики, оптические датчики могут иметь могут иметь PNP или NPN выход, работать в режиме НО, НЗ или переключающегося контакта, иметь три или четыре (для переключающегося контакта) провода, светодиод статуса, встроенный кабель разной длины или разъем под него. Для использования в сложных условиях корпуса датчиков выполняют из нержавеющей стали или полимера, которые обладают высокой стойкостью к коррозии. Напряжение питания может колебаться в диапазоне 10…36 В постоянного тока, степень защиты обычно IP65 или IP67, типовой диапазон температур –25...+60°С. Аналоговый выход может изменяться в диапазоне 0…10 В или 4…20 мА. Но нужно помнить, что датчики измерения расстояния имеют «мертвую зону» длиной до 80 мм от корпуса, где сигнал не меняется и равен максимуму.

Но есть и серьезные различия. Большинство оптических датчиков имеют кроме желтого светодиода статуса еще зеленый светодиод питания и красный светодиод оперативного резерва, а также винт потенциометра для настройки диапазона и чувствительности. Оперативный резерв является мерой превышения световой энергии, которая падает на светопоглощающую поверхность и оценивается световым приемником. Через некоторое время оперативный резерв может уменьшиться из-за загрязнения поверхности «глазков», изменения фактора отражения объекта и старения передающего диода, и надежную работу датчика гарантировать будет нельзя. Когда оперативный резерв становится недостаточным, загорается красный светодиод или, при его отсутствии, начинает мигать желтый. В некоторых датчиках вместо винта настройки имеется кнопка самообучения.

Датчики цвета

Особняком стоит и оптический датчик распознавания цвета, использующий белый луч. У него три независимых выходных канала, для каждого из которых с помощью кнопок или через электрическое соединение можно запрограммировать свой цвет или целую область с оттенками. Для этого используются специальные настроечные цветовые таблицы.

Оптические датчик цвета: внешний вид, схема и примеры применения

Каждый канал имеет 5 уровней отклонения. Если один из запрограммированных цветов попадет в световое пятно датчика, на соответствующем его выходе появится сигнал. Размер пятна обычно 3…5 мм. Распознавание цвета почти не зависит от дистанции, правда, она редко превышает 30…40 мм. Такие датчики используют для контроля качества и сортировки.